海倍思创新论坛 | 宁永强：《氢液化技术发展及应用》

北京中科富海低温科技有限公司

氢能业务中心 总经理

宁永强

非常荣幸主办方邀请我来给大家分享一下我们在氢液化这个领域的一些进展。

中科富海的低温核心技术是来自于中科院理化所，理化所是中科院众多院所中一个相对比较年轻的研究所，成立于1999年成。中科富海成立的缘起就是将中科院理化所的大型低温制冷技术，通过成立中科富海实现的产业化。

中科院理化所是我们国内目前唯一成建制、成体系，未间断研究20k到2.5k温区的大型低温制冷技术的一个团队，经历了洪朝生和周远两代院士，四代科学家，五六十年不间断的研究。目前已经研制成功千瓦级4.5K制冷系统，全世界最大制冷量的单体氦制冷机也在调试当中。

刚才魏总讲了很多关于液氢的优点，中国其实是不缺氢的，中国是产氢大国，也是用氢大国，但是应用大多数集中在石化领域，90%以上的供氢模式是点到点的管道输氢。随着氢能产业的发展，用氢的场景和需求越来越多，如何实现大规模低成本的氢储运，是目前影响和限制整个氢能产业发展的一个关键环节。

我们认为应该把中国大量的可再生能源制氢，以及大量的工业副产氢，高效收集，纯化，液化，从而提高氢的储运效率。所以在2017年，我们公司成立的第二年就开始研发具有完全自主知识产权的国产氢液化器。2019年我们完成了首台国产化1.5吨/天的氢液化装置的设备集成，并于2023年在安徽的阜阳完成了调试验收。在这个过程中我们也参与了一些国家和地方的氢液化项目，进行关键设备和技术的研发。目前我们已经成功研制出了两台1.5吨/天2台5吨/天的氢液化器，我们相信到2030年之前，我国氢液化的技术以及产业就会进入到相对比较成熟的一个阶段。

从成本的角度分析，以交通能源为例，在汽油价格8元/L来看，氢在60块钱左右就可以和与之打平，在38元/L就可以和柴油打平，目前我们国内好多地方的加氢价格已经达到30元/公斤以下了，所以在理论上来讲的话，氢的生存空间我觉得还是挺大的。

我国传统的商品氢供氢模式基本上都是压缩氢气，或者是钢瓶，量大一些就会采用长管拖车。气体的供应基本规律是会从压缩走向液体，这一条路是非常顺畅的，从CNG转向LNG，以及工业上用到的氧氮氩气，甚至氦气，最终都会遵循这个规律。相同载重的运输车辆运输氢气，长管拖车只能装载300公斤左右的氢气，而液氢槽车可以装载3吨左右，所以它的成本和它的效率会大大提升。北京冬奥会的三个赛区总计投入了1200多台的氢能车辆，为了保障这1200多的氢能车辆，总共动用了360多台氢气长管拖车，所有充氢工厂门口都大排长龙，效率非常低。如果一个城市一天需要10吨左右的氢供应，以压缩氢气的模式需要大量的氢压缩机，占地是很大，以目前各化工园区对它容积率、产出和税收的要求，靠氢的充装是很难达到的。还有一个比较可怕的问题是需要一个很庞大的运氢车队，假设有100多台车队，出了车辆，还需要一个很庞大的人员队伍，氢气的运输车的危化品运输司机是一个特殊的工种，成本很高。每辆车上还要配备一名押运员，最终团队规模可能会达到四五百人，上述的成本最终都会转嫁到终端用氢的成本。如果是用液氢的模式，只需要一个氢液化装置，两个液氢储罐、两台液氢槽车、可能一个不到50人的团队就能完成上述工作，用氢成本将大大下降。

在1吨/天以上的用氢场景，从硬件设施投资的角度，用液氢会比高压氢低很多，而且液氢设备所以占地可能会比高压的小1/3左右，可以大量节约用地成本。

因为液氢的温度很低，它在液氢的温度下，所有空气中的组分杂质都会变成固体，在氢液化的过程中这些杂质会被去除，所以液氢是一个相对比较纯净的氢源。

综上所述，通过大规模把可再生能源制氢或者工业副产氢进行收集、液化、并以氢能重卡甚至液氢重卡进行大规模运输，最后大规模的应用，从而打通整个产业链，实现氢能应用规模的扩大和综合成本的降低。

这是根据我们的运行经验测算的液氢价格，里面包括了制氢、液化、运输、加注的成本。从交通领域来讲，采用1.5吨/天的氢液化装置，最终加氢的成本应该是在30元/估计左右，随着化工装置的规模增大，它的固定投资运行成本和单位能耗会显著下降，在氢液化规模5吨/天的情况瞎，可能会降到28元/估计，如果再进一步，像刚才魏总讲的如果到30吨，它的能耗会进一步下降，我们觉得降到25元/公斤甚至更低也是有可能的。

下面简单介绍一下氢液化的几个技术路线，第一种是中试级别的氢液化装置，通过氦制冷机提供冷量，然后把氢进行液化。我们国内现在目前所有在运行的氢液化装置都采用了这种技术路线。特点是初始投资较低，可以实现较在短时间内产出液氢，缺点是能耗相对较高。另一种是工业级别的氢液化装置，它采用氢循环制冷，不需要氦作为制冷工质，效率会显著提高，能耗会显著下降，缺点就是建设周期稍长，初次投资较大，但单位液化成本会有所降低。目前日本、欧美主流的5吨/天以上的氢液化工厂采用的大多都是这个流程。

这是氢液化相关的核心技术或装备，这里面列了6个，其实还有包括整个系统的设计、计算、模拟、校核，以及集成过程中的各种工艺等等。这些都是我们一步步摸索出来的。其中最关键的是透平膨胀机，在过去几年里我们实现了国产化，目前还在研发下一代的产品。

液氢的储存、运输和转注设备也非常关键，这些设备过去国内都有生产，但是离我们的商业化或民用化的要求还有进一步的改进空间，需要进一步要增强可靠性，降低成本。

最后介绍一下我们公司的核心技术及应用，从最核心的透平膨胀机，到大型低温冷箱和系统的集成，最终可以实现氢的液化，氦的液化，以及从天然气中提取氦气。2017年开始，我们先后研制了两套1.5吨/天氢液化装置，其中一套出口到加拿大，这两套装置均已完成调试验收。2019年在北京市科委的支持下我们承接了5吨/天氢透平膨胀机的研发，2020年作为牵头单位，承接了当年的氢能国家重点研发计划，打造5吨/天的氢液化工厂机配套设施。我们已完成验收的氢液化系统实测技术指标均达到或优于设计指标，尤其是液氮消耗量，均低于设计值，最终综合单位液化能耗1.5吨/天氢液化器为15kWh/kg，5吨/天氢液化器为12.98kW.h/kg，这些都是非常令人振奋的成果。

我的汇报就是上述这些，谢谢大家！